Журнал «Оптика атмосферы и океана»

Том 35, номер 01, статья № 1

Симонова А. А., Пташник И. В. Вклад димеров воды в континуальное поглощение чистого водяного пара в полосах фундаментальных изгибного и валентного колебаний молекулы воды. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 01. С. 5–11. DOI: 10.15372/AOO20220101.
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Исследуется природа континуального поглощения излучения в чистом водяном паре в полосах фундаментальных изгибного и валентного колебаний молекулы воды в широком температурном диапазоне 279–351 К. Полученная предварительная оценка интегрального вклада поглощения димеров воды в экспериментальный континуум водяного пара на основе доступной спектроскопической информации – от 70 до 40% в полосе 1600 см^-1 и от 90 до 60% в полосе 3600 см^-1 – продемонстрировала обратную температурную зависимость этого вклада. Анализ температурных зависимостей континуального поглощения водяного пара и его составляющих указывает на вероятный вклад крыльев линий мономеров воды в континуум наряду с поглощением димерами воды.

Ключевые слова:

континуальное поглощение, водяной пар, параметры спектральных линий, полосы поглощения, димеры воды, средние крылья линий, температурная зависимость

Список литературы:

1. Rubens H., Aschkinass E. Beobachtungen über absorption und emission von wasserdampf und kohlensaure im ultraroten spectrum // Ann. Phys. 1898. V. 300. P. 584–601.
2. Hettner G. Über das ultrarote absorptionsspektrum des wasserdampfes // Ann. Phys. 1918. V. 360. P. 476–496.
3. Elsasser W.M. Far infrared absorption of atmospheric water vapor // Astrophys. J. 1938. V. 87. P. 497–507.
4. Burch D.E. Investigation of the Absorption of Infrared Radiation by Atmospheric Gases. Semiannual Technical Report N U-4784. Aeronutronic Division, Philco Ford Corporation, Aeronutronic Report. 1971. N U-4784.
5. Bignell K.J. The water-vapour infra-red continuum // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1970. V. 96. P. 390–403.
6. Varanasi P., Chou S., Penner S.S. Absorption coefficients for water vapor in the 600–1000 cm^-¹ region // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1968. V. 8. P. 1537–1541.
7. Roberts R.E., Selby J.E.A., Biberman L.M. Infrared continuum absorption by atmospheric water vapor in the 8–12-mm window // Appl. Opt. 1976. V. 15, N 9. P. 2085–2090.
8. Elsasser W.M. Note on atmospheric absorption caused by the rotational water band // Phys. Rev. J. 1938. V. 53. P. 768.
9. Творогов С.Д., Несмелова Л.И. Радиационные процессы в крыльях полос атмосферных газов // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. океана. 1976. Т. 12, № 6. С. 627–633.
10. Поберовский А.В. Исследование полос поглощения водяного пара (1,38 и 1,87 мкм) при повышенных далениях и температурах // Проблемы физики атмосферы. 1976. № 13. С. 81–87.
11. Burch D.E. Absorption by H₂O in narrow windows between 3000–4200 cm^-¹ (AFGL-TR-85-0036). 1985. 37 p.
12. Viktorova A.A., Zhevakin S.A. Absorption of micro-radiowaves in air by water vapor dimers // Rep. Acad. Sci. USSR. 1966. V. 171. P. 1061–1064.
13. Penner S.S., Varanasi P. Spectral absorption coefficients in the pure rotation spectrum of water vapour // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1967. V. 7. P. 687–690.
14. Vigasin A.A. Water vapor continuous absorption in various mixtures: Possible role of weakly bound complexes // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2000. V. 64. P. 25–40.
15. Vigasin A.A. Bimolecular absorption in atmospheric gases // Weakly Interacting Molecular Pairs: Unconventional Absorbers of Radiation in the Atmosphere. Dordrecht: Springer, 2003. P. 23–47.
16. Ptashnik I.V., Smith K.M., Shine K.P., Newnham D.A. Laboratory measurements of water vapour continuum absorption in spectral region 5000–5600 cm^-¹: Evidence for water dimers // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2004. V. 130. P. 2391–2408.
17. Ptashnik I.V. Evidence for the contribution of water dimers to the near-IR water vapour self-continuum // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2008. V. 109. P. 831–852.
18. Третьяков М.Ю., Кошелев М.А., Серов Е.А., Паршин В.В., Одинцова Т.А., Бубнов Г.М. Димер воды и атмосферный континуум // Успехи физ. наук. 2014. Т. 184, № 11. С. 1199–1215.
19. Serov E.A., Odintsova T.A., Tretyakov M.Yu., Semenov V.E. On the origin of the water vapor continuum absorption within rotational and fundamental vibrational bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 193. P. 1–12.
20. Богданова Ю.В., Климешина Т.Е., Родимова О.Б. Поглощение в крыльях полос водяного пара и нарушение длинноволнового приближения для центров масс молекул // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 10. С. 805–815; Bogdanova Yu.V., Klimeshina T.E., Rodimova O.B. Dimer Absorption within water vapor bands in the IR region // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 2. P. 134–140.
21. Shine K.P., Ptashnik I.V., Rädel G. The water vapour continuum: Brief history and recent developments // Surv. Geophys. 2012. V. 33, N 3–4. P. 535–555.
22. Пташник И.В. Континуальное поглощение водяного пара: краткая предыстория и современное состояние проблемы // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 5. С. 443–459. DOI: 10.15372/AOO20150508.
23. Ptashnik I.V., Klimeshina T.E., Solodov A.A., Vigasin A.A. Spectral composition of the water vapour self-continuum absorption within 2.7 and 6.25 mm bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 2019. V. 228. P. 97–105.
24. Ptashnik I.V., Shine K.P., Vigasin A.A. Water vapour self-continuum and water dimers : 1. Analysis of recent work // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112, N 8. P. 1286–1303.
25. Kjaergaard H.G., Garden A.L., Chaban G.M., Gerber R.B., Matthews D.A., Stanton J.F. Calculation of vibrational transition frequencies and intensities in water dimer: Comparison of different vibrational approaches // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112, N 18. P. 4324–4335.
26. Kuyanov-Prozument K., Choi M.Y., Vilesov A.F. Spectrum and infrared intensities of OH-stretching bands of water dimers // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. P. 014304(1–7).
27. Bouteiller Y., Perchard J.P. The vibrational spectrum of (H₂O)₂: Comparison between anharmonic ab initio calculations and neon matrix infrared data between 9000 and 90 cm^-¹ // Chem. Phys. 2004. V. 305, N 1–3. P. 1–12.
28. Третьяков М.Ю., Серов Е.А., Одинцова Т.А. Равновесное термодинамическое состояние водяного пара и столкновительное взаимодействие молекул // Изв. вузов. Радиофиз. 2011. Т. 54, № 10. С. 778–796.
29. Leforestier C. Water dimer equilibrium constant calculation: A quantum formulation including metastable states // J. Chem. Phys. 2014. V. 140. P. 074106.
30. Ruscic B. Active thermochemical tables: Water and water dimer // J. Phys. Chem. A. 2013. V. 117, N 46. P. 11940–11953.
31. Scribano Y., Goldman N., Saykally R.J., Leforestier C. Water dimers in the atmosphere III : Equilibrium constant from a flexible potential // J. Phys. Chem. A. 2006. V. 110. P. 5411–5419.
32. Rocher-Casterline B.E., Ch'ng L.C., Mollner A.K., Reisler H. Communication: Determination of the bond dissociation energy (D₀) of the water dimer, (H₂O)₂, by velocity map imaging // J. Chem. Phys. 2011. V. 134. P. 211101(1–4).
33. Buryak I., Vigasin A.A. Classical calculation of the equilibrium constants for true bound dimers using complete potential energy surface // J. Chem. Phys. 2015. V. 143. P. 234304(1–8).
34. Третьяков М.Ю. Высокоточная резонаторная спектроскопия атмосферных газов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2016. 320 с.
35. Buck U., Huisken F. Infrared spectroscopy of size-selected water and methanol clusters // Chem. Rev. 2000. V. 100, N 11. P. 3863–3890.
36. Birk M., Wagner G, Loos J., Shine K.P. 3 µm Water vapor self- and foreign-continuum: New method for determination and new insights into the self-continuum // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2020. V. 253. P. 107134.
37. Gordon I.E., Rothman L.S., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K.V., Drouin B.J., Flaud J.-M., Gamache R.R., Hodges J.T., Jacquemart D., Perevalov V.I., Perrin A., Shine K.P., Smith M.-A.H., Tennyson J., Toon G.C., Tran H., Tyuterev V.G., Barbe A., Császár A.G., Devi V.M., Furtenbacher T., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Jolly A., Johnson T.J., Karman T., Kleiner I., Kyuberis A.A., Loos J., Lyulin O.M., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Moazzen-Ahmadi N., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Polyansky O.L., Rey M., Rotger M., Sharpe S.W., Sung K., Starikova E., Tashkun S.A., Vander Auwera J., Wagner G., Wilzewski J., Wcisło P., Yu S., Zak E.J. The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 203. P. 3–69.
38. Leforestier C., Tipping R.H., Ma Q. Temperature dependences of mechanisms responsible for the water-vapor continuum absorption. II. Dimers and collision-induced absorption // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. P. 164302(1–14).
39. Hill T.L. Statistical Mechanics. New York: McGraw-Hil, 1956. 152 p.
40. Stogryn D.E., Hirschfelder J.O. Contribution of bound, metastable, and free molecules to the second virial coefficient and some properties of double molecules // J. Chem. Phys. 1959. V. 31, N 6. P. 1531–1545.